Các nhà thiên văn học đã xác định được một đặc điểm bất ngờ trên một hành tinh khí khổng lồ ở xa: những đám mây băng nước. Khám phá này đến từ nhóm nghiên cứu do Elisabeth Matthews tại Viện Thiên văn Max Planck (MPIA) dẫn đầu, và nó cho thấy một khoảng trống lớn trong cách các nhà khoa học mô phỏng khí quyển ngoại hành tinh. Hành tinh Epsilon Indi Ab có nhiều điểm tương đồng với sao Mộc, nhưng khí quyển của nó dường như phức tạp hơn dự đoán. Phương pháp quan sát được sử dụng trong nghiên cứu này cũng là một bước tiến quan trọng hướng tới mục tiêu lâu dài: phát hiện và nghiên cứu các hành tinh giống Trái Đất.

Hành trình tìm kiếm sự sống ngoài Hệ Mặt Trời

Một trong những mục tiêu lớn nhất của ngành thiên văn học là tìm ra dấu hiệu của sự sống trên các hành tinh quay quanh những ngôi sao khác. Các nhà nghiên cứu hy vọng điều đó có thể xảy ra trong vài thập kỷ tới. Quá trình tiến tới mục tiêu này diễn ra theo từng giai đoạn. Từ năm 1995 đến khoảng năm 2022, các nhà khoa học chủ yếu tập trung vào việc phát hiện ngoại hành tinh bằng các phương pháp gián tiếp. Những kỹ thuật này giúp xác định các đặc tính quan trọng như khối lượng và kích thước, đôi khi là cả hai.

Việc Kính viễn vọng Không gian James Webb được phóng vào năm 2022 đã đánh dấu sự khởi đầu của một giai đoạn mới. Giờ đây, các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu chi tiết khí quyển của nhiều ngoại hành tinh, từ đó hiểu rõ hơn về thành phần và cấu trúc của chúng. Tuy nhiên, mức độ phân tích này vẫn còn cách khá xa việc trực tiếp tìm kiếm sự sống — điều có thể sẽ cần đến các kính thiên văn tiên tiến hơn trong tương lai.

Nghiên cứu mới đã thử nghiệm một số kỹ thuật tiên tiến như vậy, dù chưa áp dụng cho các hành tinh giống Trái Đất. Elisabeth Matthews, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết:

“Nay JWST cuối cùng đã cho phép chúng tôi nghiên cứu chi tiết các hành tinh tương tự trong Hệ Mặt Trời. Nếu chúng ta là người ngoài hành tinh ở cách vài năm ánh sáng và nhìn lại Mặt Trời, JWST sẽ là kính thiên văn đầu tiên cho phép nghiên cứu chi tiết sao Mộc. Tuy nhiên, để nghiên cứu Trái Đất ở mức độ chi tiết như vậy, chúng ta vẫn cần những kính thiên văn tiên tiến hơn nhiều.”

Vì sao các thế giới giống sao Mộc khó quan sát?

Dù JWST rất mạnh mẽ, việc nghiên cứu các hành tinh giống sao Mộc vẫn gặp nhiều khó khăn. Phần lớn các hành tinh khí khổng lồ được quan sát cho tới nay đều nóng hơn sao Mộc rất nhiều. Nguyên nhân là kỹ thuật phổ biến nhất để phân tích khí quyển ngoại hành tinh yêu cầu hành tinh phải đi ngang qua phía trước ngôi sao chủ khi nhìn từ Trái Đất. Những hành tinh quay gần sao chủ có xác suất thẳng hàng như vậy cao hơn, nhưng đồng thời chúng cũng nóng hơn đáng kể.

Để vượt qua hạn chế này, Matthews và nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp khác. Công trình của họ đem lại một trong những cái nhìn cận cảnh nhất từ trước tới nay về một “bản sao” thật sự của sao Mộc, và kết quả mang đến nhiều bất ngờ.

Sử dụng thiết bị hồng ngoại tầm trung MIRI của JWST, các nhà nghiên cứu đã trực tiếp chụp ảnh Epsilon Indi Ab. Tên gọi này cho biết đây là hành tinh đầu tiên được phát hiện quay quanh ngôi sao Epsilon Indi A trong chòm sao Indus ở bầu trời phía nam.

Bhavesh Rajpoot, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại MPIA và là thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết:

“Hành tinh này có khối lượng lớn hơn đáng kể so với sao Mộc — nghiên cứu mới xác định nó nặng gấp 7,6 lần sao Mộc — nhưng đường kính gần như tương đương với ‘người anh em’ trong Hệ Mặt Trời của nó.”

Một hành tinh khổng lồ lạnh nhưng vẫn giữ nhiệt dư

Epsilon Indi Ab quay quanh ngôi sao của nó ở khoảng cách gấp khoảng bốn lần khoảng cách từ sao Mộc đến Mặt Trời. Ngôi sao chủ nhỏ hơn và lạnh hơn Mặt Trời một chút, giúp nhiệt độ của hành tinh duy trì ở mức tương đối thấp. Nhiệt độ bề mặt được ước tính nằm trong khoảng 200–300 Kelvin (tương đương từ -70 đến +20 độ C).

Hành tinh này vẫn ấm hơn sao Mộc — vốn có nhiệt độ khoảng 140 K — vì nó còn giữ lại nhiệt từ quá trình hình thành. Trong hàng tỷ năm tới, nó được dự đoán sẽ tiếp tục nguội dần và cuối cùng trở nên lạnh hơn cả sao Mộc.

Để quan sát hành tinh, các nhà thiên văn đã sử dụng một thiết bị gọi là coronagraph trên MIRI nhằm chặn ánh sáng chói từ ngôi sao chủ. Điều này cho phép họ phát hiện ánh sáng yếu hơn rất nhiều phát ra từ hành tinh.

Họ chụp ảnh bằng bộ lọc bước sóng 11,3 micromet, nằm ngay ngoài vùng bước sóng liên quan đến các phân tử amoniac (NH3). Bằng cách so sánh dữ liệu này với các quan sát ở bước sóng 10,6 micromet được thực hiện năm 2024, nhóm nghiên cứu đã ước tính được lượng amoniac trong khí quyển hành tinh.

Thiếu amoniac hé lộ sự tồn tại của mây băng

Trong khí quyển sao Mộc, khí amoniac và các đám mây amoniac chiếm ưu thế ở những lớp trên cùng có thể nhìn thấy được. Dựa trên đặc điểm của mình, Epsilon Indi Ab được kỳ vọng chứa lượng lớn khí amoniac nhưng không có mây amoniac. Tuy nhiên, các quan sát lại cho thấy lượng amoniac ít hơn dự đoán.

Lời giải thích hợp lý nhất là sự hiện diện của các đám mây băng nước dày nhưng phân bố không đồng đều, tương tự các đám mây ti tầng cao trong khí quyển Trái Đất — một yếu tố phức tạp ngoài dự kiến.

Các nhà thiên văn thường diễn giải dữ liệu quan sát bằng cách so sánh với các mô phỏng máy tính về khí quyển hành tinh. Tuy nhiên, nhiều mô hình hiện nay không bao gồm mây vì chúng rất khó mô phỏng. Phát hiện mới cho thấy những mô hình đó cần được cải tiến.

James Mang từ Đại học Texas tại Austin, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết:

“Đây là một ‘vấn đề tuyệt vời’ để gặp phải, và nó phản ánh bước tiến to lớn mà JWST mang lại. Những gì từng tưởng như không thể phát hiện giờ đã nằm trong tầm tay, cho phép chúng ta thăm dò cấu trúc khí quyển của các hành tinh này, bao gồm cả sự hiện diện của mây. Điều đó hé lộ những tầng phức tạp mới mà các mô hình hiện nay mới bắt đầu nắm bắt, đồng thời mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu chi tiết hơn nữa các thế giới lạnh và xa xôi này.”

Những kính thiên văn tương lai và con đường hướng tới các hành tinh giống Trái Đất

Các sứ mệnh sắp tới có thể cung cấp những quan sát rõ nét hơn về các đám mây này. Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman của NASA — dự án mà MPIA là đối tác — dự kiến phóng trong giai đoạn 2026–2027 và được kỳ vọng đặc biệt phù hợp để phát hiện các đám mây băng nước phản xạ ánh sáng.

Trong khi đó, Matthews và nhóm nghiên cứu đang xin thêm thời gian quan sát bằng JWST để tiếp tục nghiên cứu nhiều hành tinh lạnh giống sao Mộc khác. Khi các nhà thiên văn ngày càng hoàn thiện kỹ thuật của mình, họ đang đặt nền móng cho việc nghiên cứu các thế giới giống Trái Đất trong tương lai và cuối cùng là tìm kiếm dấu hiệu của sự sống bên ngoài Hệ Mặt Trời.